一种基于ADS‑B信息更新的四维航迹动态预测方法技术

本发明专利技术提供了一种基于ADS‑B信息更新的四维航迹动态预测方法，通过与ADS‑B接收机之间的网络通信，利用ADS‑B数据解码模块，获取航班实时的速度、高度、经度和纬度信息，并与预测航迹进行一致性检验，从而实现动态、在线、实时地航迹预测能力。可以为发展空中交通管制的自动化与智能化，以及实现基于航迹运行提供重要的技术保障。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ADS-B信息更新的四维航迹动态预测方法
本专利技术属于民用航空空中交通管理
，特别涉及空中交通服务、空中交通管制的自动化与智能化、基于航迹运行以及空管决策支持工具的设计与验证等。
技术介绍
近年来，随着空中交通量的持续激增，现有空中航行系统的运行能力几近饱和，从而导致空域拥堵、航班延误等问题频繁发生，而且我国尤为严重。如何在飞行流量持续增长的情况下，提高空中交通运行效率、保障航班正常率成为我国民航运输事业可持续发展的迫切需求。国际民航组织(ICAO)提出了“航空系统组块升级”(ASBU)计划，美国和欧洲则分别提出了“下一代空中交通系统”(NextGen)与“单一欧洲天空空管研究”(SESAR)计划，以期指导空中交通管理系统的规划与实施，其中民用航空器四维航迹预测是上述计划实施的核心与关键。早在上世纪末，美国宇航局(NASA)便开始着手研究与设计四维航迹预测方法和工具，在尝试通过时间间隔取代距离间隔来管理终端空域的航空器时，于民用航空领域提出航迹预测技术，并基于四阶Runge-Kutta方法设计与仿真了航空器的四维下降剖面。欧洲航行安全局(EUROCONTROL)在实施空中交通管理研究协调计划(PHARE)时，明确将航迹预测作为主要模块进行设计与测试，从而更好地为诸如冲突探测、进场管理、离场管理等模块服务。随后，EUROCONTROL在“欧洲空中交通管制协调实施计划”(EATCHIP)中从定义、数据以及性能角度分析了航迹预测的运行需求。本世纪初，荷兰航空航天国家实验室(NLR)从空域管理、空管系统、空管人员、航空公司、飞行员、航空电子设备等视角，给出了在现行以及未来运行理念下的航迹预测结构与流程。上述欧美的四维航迹预测研究拥有许多如下特点：①定义一致：航迹预测是指通过计算预估航空器未来轨迹的过程；②结构一致：航迹预测主要由四个过程组成——准备、计算、更新与输出；③数据来源：气象数据、基础数据和性能数据是航迹预测的重要数据来源；④应用至上：由应用场合决定航迹预测模型的繁简与方法的异同。我国与民航发达国家相比，空管自动化与智能化运行水平尚存在一定的差距，目前尚未成功研制相关的四维航迹预测工具，仅在理论与算法领域取得较多成果，如：卡尔曼滤波方法、自适应滤波算法、交互式多模型滤波算法、全能量方程法、动力学及运动学模型法、机器学习方法等实现四维航迹预测。为了应对飞行流量持续增长的情况，努力提高空中交通运行效率、保障航班正常率，增强管制员的情境意识，我国急需研究与开发四维航迹预测的方法与工具。而且，为了提高航迹预测结果的精度与可行度，需要不断根据航空器的实际位置进行修正。空管自动化系统通过雷达监视信息的处理，能够提供实时的航班位置信息，但是由于安全原因，无法获取接口。近年来，广播式自动相关监视(ADS-B)技术应用愈发广泛，且与传统的雷达监视技术相比，ADS-B技术具有精度高、误差小、监视能力强的特点。如此，可以依靠ADS-B的信息更新，研究与开发四维航迹的动态实时在线预测技术与工具。因此，本专利技术提出一种基于ADS-B信息更新的四维航迹动态预测方法：一方面，利用航空器性能数据，联合气象信息与航空器意图，基于航空器动力与运动学模型，研究与开发航空器四维航迹预测方法和工具；另一方面，基于ADS-B信息更新，通过TCP(传输控制协议)的Socket编程，实现ADS-B接收机与四维航迹预测工具的网络通信，针对预测航迹与实际航迹进行一致性检验，从而触发航迹修正模块，实现四维航迹的实时在线预测，为增强管制人员的情境意识，发展空中交通管制的自动化与智能化，以及实现基于航迹运行(TBO，TrajectoryBasedOperation)提供重要的技术保障。与现有国内四维航迹预测研究相比，本专利技术具有完整性、动态实时性与可验证性的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，通过提出一种基于ADS-B信息更新的四维航迹动态预测方法，为研发具有自主知识产权的、高性价比的、适合于国内繁忙终端空域的空管决策支持原型系统提供支撑，为后续发展空中交通管制的自动化与智能化，以及实现基于航迹运行夯实研究基础与提供技术保障。从而达到加速空中交通流量、减少繁忙机场延误、增强管制员情境意识、降低管制员工作负荷的目的。技术方案：一种基于ADS-B信息更新的四维航迹动态预测方法，包括步骤：步骤1：建立ADS-B接收机与四维航迹预测系统之间的网络通信；ADS-B接收机利用网络通信接收表征航空器的实时信息的16进制代码；步骤2：对步骤1中ADS-B接收机接收的数据进行解码，获得航空器的实时信息，包括：航班号、实时位置、速度以及航向信息，并依此构建航空器意图模型；步骤3：建立航空器意图与航迹之间的关系，根据步骤2构建的航空器意图模型进行四维航迹预测；步骤4：将步骤3预测的四维航迹与ADS-B接收机接收的航空器的实际航迹进行比较，判断误差值是否超出阈值；其中阈值是根据航空器的安全间隔所设置的；若未超出阈值，则继续保持原来的预测航迹；若超出阈值，则转到步骤5；步骤5：更新与重构航空器意图模型，并根据重构的航空器意图模型触发新一轮四维航迹预测，获取航空器预测轨迹，实现四维航迹动态预测。所述步骤2中对步骤1中ADS-B接收机接收的数据进行解码具体为：ADS-B接收机接收的数据信息消息为16进制，转化为2进制，其类型码为第33-第37位；数据字段为第38-第88位；步骤21：当消息类型码的值位于1-4之间，则表示该条信息代表的是该航空器的航班号信息；取出信息的41至88比特位，将这48个二进制位按照每组6位的分组方式分为8组，并将每组的二进制数转化为十进制数；然后，将得到的十进制数与索引信息作比较，解出相应的航班号信息；步骤22：当消息类型码的值位于8-19之间，则表示该条消息是该航空器的位置信息；采用CPR算法进行编解码计算航空器的位置信息；步骤23：当消息类型码的值为19时，则表示该条消息是该飞机的速度信息；取出信息中的4个值：东/西向标志位s(ew)为57位、东/西向速度V(ew)为58-67位、南/北向标志位s(ns)为46位、南/北向速度V(ns)为47-56位；并据此计算得到航空器速度；计算过程如下：ψ＝ψ+360if(ψ＜0)所述步骤2中构建航空器意图模型具体为：根据解码后的航空器实时信息得到航空器速度、高度、推力和侧向，根据航空器意图模型表以及后续飞经的航路点的速度/高度的限制信息构建航空器意图模型。构建航空器意图模型考虑风对航空器航向以及地速的影响，具体如下：DA＝arcsin(Vwind/VTAS×sin(WA))VGS＝VTAS×cos(DA)+Vwind×cos(WA)其中，WA为风角，为风向。Vwind为风速，DA为偏流，VGS为地速，VTAS为真空速，MTK为航迹角。所述步骤3中四维航迹预测具体包括步骤：步骤31：读取飞行计划数据库、进离场航路数据库及航空器飞经航路信息；步骤32：根据航空器初始状态、风速风向数据以及航空器性能数据，确定计算步长，进行四维航迹预测；步骤33：判断航空器是否转弯；并分别将航空器进场飞行轨迹分为直线航段与转弯航段处理。所述步骤5中更新与重构航空器意图模型具体为：步骤51：确定航空器的位置，即搜索距离航空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于ADS‑B信息更新的四维航迹动态预测方法，其特征在于：包括步骤：步骤1：建立ADS‑B接收机与四维航迹预测系统之间的网络通信；ADS‑B接收机利用网络通信接收表征航空器实时信息的16进制代码；步骤2：对步骤1中ADS‑B接收机接收的数据进行解码，获得航空器的实时信息，包括：航班号、实时位置、速度以及航向信息，并依此构建航空器意图模型；步骤3：建立航空器意图与航迹之间的关系，根据步骤2构建的航空器意图模型进行四维航迹预测；步骤4：将步骤3预测的四维航迹与ADS‑B接收机接收的航空器的实际航迹进行比较，判断误差值是否超出阈值；其中阈值是根据航空器的安全间隔所设置的；若未超出阈值，则继续保持原来的预测航迹；若超出阈值，则转到步骤5；步骤5：更新与重构航空器意图模型，并根据重构的航空器意图模型触发新一轮四维航迹预测，获取航空器预测轨迹，实现四维航迹动态预测。

【技术特征摘要】
1.一种基于ADS-B信息更新的四维航迹动态预测方法，其特征在于：包括步骤：步骤1：建立ADS-B接收机与四维航迹预测系统之间的网络通信；ADS-B接收机利用网络通信接收表征航空器实时信息的16进制代码；步骤2：对步骤1中ADS-B接收机接收的数据进行解码，获得航空器的实时信息，包括：航班号、实时位置、速度以及航向信息，并依此构建航空器意图模型；步骤3：建立航空器意图与航迹之间的关系，根据步骤2构建的航空器意图模型进行四维航迹预测；步骤4：将步骤3预测的四维航迹与ADS-B接收机接收的航空器的实际航迹进行比较，判断误差值是否超出阈值；其中阈值是根据航空器的安全间隔所设置的；若未超出阈值，则继续保持原来的预测航迹；若超出阈值，则转到步骤5；步骤5：更新与重构航空器意图模型，并根据重构的航空器意图模型触发新一轮四维航迹预测，获取航空器预测轨迹，实现四维航迹动态预测。2.根据权利要求1所述的四维航迹动态预测方法，其特征在于：所述步骤2中对步骤1中ADS-B接收机接收的数据进行解码具体为：ADS-B接收机接收的数据信息为16进制，转化为2进制，其消息类型码为第33-第37位；数据字段为第38-第88位；步骤21：当消息类型码的值位于1-4之间，则表示该条信息代表的是该航空器的航班号信息；取出信息的41至88比特位，将这48个二进制位按照每组6位的分组方式分为8组，并将每组的二进制数转化为十进制数；然后，将得到的十进制数与索引信息作比较，解出相应的航班号信息；步骤22：当消息类型码的值位于8-19之间，则表示该条消息是该航空器的位置信息；采用CPR算法进行编解码计算航空器的位置信息；步骤23：当消息类型码的值为19时，则表示该条消息是该飞机的速度信息；取出信息中的4个值：东/西向标志位s(ew)为57位、东/西向速度V(ew)为58-67位、南/北向标志位s(ns)为46位、南/北向速度V(ns)为47-56位；并据此计算得到航空器速度；计算过程如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：张军峰，陈强，葛腾腾，朱海波，郑志祥，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32